WO2022124464A1 - 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박 - Google Patents

선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박 Download PDF

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WO2022124464A1
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Definitions

  • the present invention combines EGR and iCER to reduce NO X generation by EGR, while absorbing CO 2 and SO X to convert it into a material that does not affect the environment to prevent engine corrosion and improve combustion quality, It relates to an EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device and a ship equipped with the device, which can increase engine efficiency and reduce methane slip by
  • CCS Carbon dioxide Capture and Storage
  • carbon dioxide emission regulation is regulated through IMO's EEDI, which aims to reduce more than 50% of 2008 emissions in 2050, and 40% of 2008 emissions must be reduced in 2030. , the technology to capture the emitted CO 2 is attracting attention.
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • the technical task to be achieved by the spirit of the present invention is to reduce the generation of NO X by EGR by combining EGR and iCER, while absorbing CO 2 and SO X and converting it into a material that does not affect the environment to prevent corrosion of the engine and
  • An object of the present invention is to improve combustion quality, increase engine efficiency and reduce methane slip by iCER, and to provide a ship's EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device and a ship equipped with the device.
  • the exhaust gas receiver to temporarily store the exhaust gas exhausted from each cylinder of the marine engine to remove the pulsation; a supercharger for supplying compressed combustion air by the exhaust gas supplied from the exhaust gas receiver; a cleaning unit that sprays cleaning water into the exhaust gas supplied through the supercharger to remove SO X and chute for cleaning, and circulates cooling water to cool the exhaust gas; a CO 2 absorption unit for absorbing and removing CO 2 by injecting an absorption liquid into the exhaust gas that has passed through the washing unit; a combustion air receiver that temporarily stores the combustion air compressed by the supercharger to remove the pulsation, and supplies air to each cylinder of the marine engine; and an exhaust gas circulation unit configured to supply the exhaust gas that has passed through the CO 2 absorption unit to the supercharger to be mixed with outdoor air.
  • the marine engine may be a low-pressure two-stroke dual fuel engine or a four-stroke dual fuel engine.
  • the supercharger includes a turbine rotating by the high-temperature and high-pressure exhaust gas supplied from the exhaust gas receiver, and a compressor that is coupled to a rotating shaft of the turbine and rotates to compress combustion air and supply it to the combustion air receiver;
  • An air intake filter formed on the inlet side of the compressor to filter and mix foreign substances from the exhaust gas and outside air from which CO 2 has been removed through the CO 2 absorption unit, and to cool the combustion air supplied from the compressor to the combustion air receiver a combustion air cooling module, a first regulating valve for regulating the exhaust gas flow rate from the turbine to the cleaning unit, and a second regulating valve for regulating the exhaust gas flow rate supplied from the turbine to the exhaust gas use related device can be
  • the second control valve due to a high load or high temperature exhaust gas, when damage to the exhaust gas use related device connected to the exhaust gas pipe of the turbine is expected to be damaged, by controlling the opening and closing to the cleaning unit It is possible to lower the temperature of the exhaust gas by increasing the exhaust gas flow rate.
  • the combustion air cooling module includes at least one cooling jacket for cooling the combustion air by circulating cooling water, and a mist catcher formed in a curved multi-plate shape to remove moisture from the combustion air that has passed through the cooling jacket.
  • the washing unit includes a washing water supply module that receives fresh water and neutralizes and supplies the circulating washing water; It may include a module, a cooling module for cooling the exhaust gas by circulating cooling water, a washing water circulation module for circulating the washing water to the washing module, and a water treatment module for water treatment of the washing water.
  • the washing water supply module includes a washing water replenishment pump that receives fresh water, supplements the washing water and supplies it to the washing module, and adjusts the pH of the circulating washing water supplied from the washing water replenishment pump to the washing module. and a neutralizing agent supply valve for injecting a neutralizing agent for at least one cooling unit for cooling the exhaust gas to a predetermined temperature according to the type of the absorption liquid by cooling water formed at the lower end of the a washing water circulation tank; a pH meter for measuring the pH of the washing water from the washing water circulation tank and adjusting the neutralizing agent supply valve to set the neutralizing agent input amount; and a buffer for storing the initial washing water quantity and replenishing the washing water A tank, a washing water circulation pump and a washing water control valve for supplying some washing water passing through the washing module to the buffer tank and circulating the remaining washing water to the washing module, and a washing water control valve installed at the rear end of the washing water circulation pump and a washing water cooling unit for cooling the circulating washing water, wherein the water treatment module includes
  • the CO 2 absorbing unit includes an absorption liquid storage tank for storing the absorption liquid, one or more injection nozzles for spraying the absorption liquid, and one that converts CO 2 into a predetermined material by a chemical reaction by contacting CO 2 with the absorption liquid
  • an absorption liquid injection pump for pumping the absorption liquid through the one or more injection nozzles
  • a cooling module for cooling heat generated by CO 2 absorption reaction by circulating cooling water through the one or more flow passages; It may include a mist catcher formed at the end of the to remove moisture from the exhaust gas that has passed through the flow path, and an absorbent liquid tank that separates and stores the absorbent liquid that has passed through the flow path.
  • the one or more injection nozzles include an upper injection nozzle and a lower injection nozzle for downwardly spraying the absorbent liquid, and the one or more flow passages contact CO 2 with the absorbent liquid to produce CO 2 by a chemical reaction with the predetermined substance. and an upper flow path and a lower flow path for converting to Exothermic heat due to CO 2 absorption reaction can be cooled.
  • the upper flow passage or the lower flow passage may be configured with a plurality of stages and partition walls to extend the contact time between the absorbent liquid and the exhaust gas to form a long flow passage.
  • a distillation column packing designed to have a large contact area per unit volume to increase the contact time between the absorption liquid and the exhaust gas is formed in multiple stages, and a solution between the distillation column packing composed of multiple stages A redistributor may be formed.
  • the absorption liquid storage tank stores NH 4 OH(aq) as the absorption liquid, and absorbs CO 2 by NH 4 OH(aq) by the upper flow path and the lower flow passage to NH 4 HCO 3 (aq). conversion
  • the cooling module is disposed in the form of a cooling jacket or a cooling coil in the upper flow path and the lower flow path to cool the heat generated by the CO 2 absorption reaction to 20°C to 50°C.
  • the absorption liquid storage tank stores NaOH (aq) as the absorption liquid, absorbs CO 2 by NaOH (aq) by the upper flow path and the bottom flow passage, and converts it to NaHCO 3 or Na 2 CO 3 , and the The cooling module can cool the heat generated by the CO 2 absorption reaction to 80°C to 100°C.
  • the predetermined material discharged through the flow path may be stored in a sludge tank or discharged overboard.
  • the exhaust gas circulation unit a first valve for adjusting the exhaust gas flow rate supplied to the air intake filter; and a second valve for controlling the flow rate of exhaust gas supplied to the exhaust gas use related device through the exhaust gas pipe.
  • the exhaust gas circulation unit may adjust the flow rates of the exhaust gas supplied to the supercharger and mixed with the outside air and the exhaust gas supplied to the exhaust gas pipe, respectively.
  • the cleaning unit, the CO 2 absorption unit, and the exhaust gas circulation unit may be configured to be mounted inside the marine engine.
  • the present invention can provide a vessel equipped with the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the above-described vessel.
  • EGR by combining EGR and iCER, while reducing NO X generation by EGR, it absorbs CO 2 and SO X and converts it to a material that does not affect the environment to prevent corrosion of the engine and improve combustion quality
  • iCER By iCER, it is possible to increase engine efficiency and reduce methane slip, and by removing SO X and CO 2 from the recirculated exhaust gas, it is possible to prevent engine corrosion and reduce environmental pollution. It is possible to save installation space by configuring it in the form of an engine room, and it is possible to install additionally on a ship where the existing EGR system is already installed, so there is an effect that it can be configured to have fewer changes.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a GHG emission reduction device combined with an EGR and iCER of a ship according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a system circuit diagram that implements the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship of Figure 1.
  • FIG. 3 is a view showing the separation of the exhaust gas receiver and the supercharger of the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view showing the separation of the cleaning unit of the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship of FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a view showing the separation of the CO 2 absorption unit of the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship of FIG. 2 .
  • FIG. 6 is a view showing the separation of the exhaust gas circulation part of the EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship of FIG. 2 .
  • the apparatus for reducing greenhouse gas emissions combined with EGR and iCER of a ship is an exhaust gas receiver 110 that temporarily stores the exhaust gas exhausted from each cylinder of the ship engine 10 to remove pulsation, the exhaust gas
  • the supercharger 120 that compresses and supplies combustion air by the exhaust gas supplied from the receiver 110, and the washing water is sprayed with the exhaust gas supplied through the supercharger 120 to remove SO X and chute,
  • the cleaning unit 130 that cools the exhaust gas by circulating the cooling water
  • the CO 2 absorption unit 140 that absorbs and removes CO 2 by spraying the absorption liquid with the exhaust gas that has passed through the cleaning unit 130, and the supercharger 120
  • the exhaust gas passing through the combustion air receiver 150, and the CO 2 absorber 140 is supercharged 120 ), including the exhaust gas circulation unit 160 to be mixed with the outside air, by combining EGR and iCER to reduce NO X generation by
  • the exhaust gas receiver 110 temporarily stores the exhaust gas exhausted from each cylinder of the marine engine 10 to remove the pulsation.
  • the exhaust gas receiver 110 from the combustion chamber of each cylinder (not shown) composed of a plurality of the marine engine 10 by the exhaust stroke after combustion Temporarily storing high-temperature and high-pressure exhaust gas exhausted from the exhaust gas outlet to remove pulsation of exhaust gas, and through the supercharger 120 through opening and closing of the control valve, the cleaning unit 130 or waste heat recovery device related to the use of exhaust gas It is supplied to a device (not shown).
  • the discharge timing of the exhaust gas is also different and pulsation occurs. It is formed in the form of a cylinder capable of keeping warm, one side is connected to the exhaust gas outlet of the combustion chamber and the other side is connected to the turbine 121 inlet side of the supercharger 120 .
  • the marine engine 10 may be a low-pressure two-stroke dual fuel engine operated at a combustion gas pressure ranging from 5 barg to 20 barg according to an Otto cycle.
  • the low-pressure two-stroke dual fuel engine has low NO X emissions, so even when fuel oil such as diesel is used, it can meet the IMO NO X emission regulation Tier III through short fuel oil operation, and a high-pressure two-stroke dual fuel engine Compared to that, the combustion gas pressure is 1/10 or less, a relatively inexpensive gas compressor can be applied, and the operation cost can be reduced due to the low power consumption of the gas compressor.
  • a four-stroke dual fuel engine capable of producing auxiliary power using available boil-off gas may be applied as the marine engine 10 .
  • the turbocharger 120 compresses combustion air using high-temperature and high-pressure energy of the exhaust gas supplied from the exhaust gas receiver 110 , and supplies it to the combustion air receiver 150 to increase engine efficiency. do.
  • the supercharger 120 is coupled to the rotating shaft of the turbine 121 and the turbine 121 rotated by the high-temperature and high-pressure exhaust gas supplied from the exhaust gas receiver 110, as shown in FIG.
  • the compressor 122 that compresses the combustion air mixed with the recirculated exhaust gas and the outside air by rotation and supplies it to the combustion air receiver 150, and is formed on the inlet side of the compressor 122, the CO 2 absorber 140
  • the second control valve 126 controls the opening and closing when damage to the exhaust gas use related device connected to the exhaust gas pipe of the turbine 121 is expected due to a high load or high temperature exhaust gas. By increasing the exhaust gas flow to the government 130, it is possible to lower the temperature of the exhaust gas.
  • the combustion air cooling module 124 is formed in the form of one or more stages of a cooling jacket 124a for cooling combustion air by circulating cooling water, and a curved multi-plate shape, and combustion passes through the cooling jacket 124a.
  • a cooling jacket 124a for cooling combustion air by circulating cooling water, and a curved multi-plate shape, and combustion passes through the cooling jacket 124a.
  • mist catcher 124b that removes moisture from the air, it suppresses the temperature rise due to the compression of the combustion air by the compressor 122 to increase the supercharger efficiency and increase the air density to improve the efficiency of the marine engine 10. have.
  • the cleaning unit (EGR) 130 is a component that performs cleaning, cooling, and neutralization of the exhaust gas, and sequentially sprays washing water into the exhaust gas supplied through the supercharger 120 in primary and secondary directions.
  • SO X and chute (soot) contained in the exhaust gas is removed and cleaned, and the exhaust gas is cooled by circulating cooling water and supplied to the CO 2 absorption unit 140 .
  • the cleaning unit 130 is after combustion CO 2 By cleaning and cooling the exhaust gas containing a large amount of to do it
  • the washing unit 130 includes a washing water supply module 131 that receives fresh water and neutralizes and supplies circulating washing water, and washing from the washing water supply module 131 .
  • a washing module 132 that cools and cleans by spraying water into the exhaust gas from the supercharger 120 , a cooling module 133 that cools the exhaust gas by circulating cooling water, and the washing water circulates in the washing module 132 .
  • It may include a washing water circulation module 134 and a water treatment module (WTS; Water Treatment System) 135 for water treatment of the washing water.
  • WTS Water Treatment System
  • the washing water supply module 131 includes a washing water replenishment pump 131b that receives fresh water through the opening of the fresh water supply valve 131a and supplies the circulating washing water to the washing module 132, and the washing water replenishment. and a neutralizing agent supply valve 131c for introducing a neutralizing agent for adjusting pH to the circulating washing water supplied from the pump 131b to the washing module 132 .
  • the neutralizing agent may be a basic neutralizing agent that removes sulfuric acid generated by the reaction of the washing water with SO X of the exhaust gas.
  • the washing module 132 includes one or more washing units for washing by spraying washing water to remove SO X and chute, the washing water supplied from the washing water supply module 131 or the washing water circulation module 134
  • EGR cooler spray secondary spraying of water
  • the cooling module 133 includes one or more cooling units formed at the lower end of the one or more cleaning units and cooling the exhaust gas to a predetermined temperature according to the type of absorption liquid by the circulating cooling water.
  • the cooling water formed at the lower end and circulating the cooling water formed at the lower end of the first cooling unit 133a and the second cleaning unit 132b that cools the exhaust gas to a certain temperature according to the type of absorption liquid and circulates , and a second cooling unit 133b that cools the exhaust gas to a predetermined temperature according to the type of absorption liquid.
  • the washing water circulation module 134 includes a washing water circulation tank 134a that collects the washing water that has passed through the washing module 132, and a neutralizing agent supply valve by measuring the pH of the washing water from the washing water circulation tank 134a.
  • a pH meter 134b that adjusts 131c to set the neutralizing agent input amount, a buffer tank 134c that stores the initial amount of washing water and replenishes the washing water, and some washing water that has passed through the washing module 132 is
  • the washing water circulation pump 134d and the washing water control valve 134e for supplying the buffer tank 134c and circulating the remaining washing water to the washing module 132, and the washing water circulation pump 134d are installed at the rear end to circulate and a washing water cooling unit 134f for cooling the washing water.
  • the pH meter 134b measures the pH of the sulfuric acid contained in the circulating washing water, and according to the measured pH, the amount of the basic neutralizing agent, for example, NaOH, is adjusted by the neutralizing agent supply valve 131c to supply the washing water. Neutralize to prevent corrosion of the pipeline and related components through which the washing water circulates, and the buffer tank 134c collects and removes additional moisture incidentally generated due to combustion of exhaust gas, and is water treated by the water treatment module 135 It can also be replenished by storing purified washing water.
  • the neutralizing agent supply valve 131c to supply the washing water.
  • the temperature of the exhaust gas passing through the cleaning module 132 is appropriately 20° C. to 50° C. and NaOH is used as CO 2
  • the absorbent liquid of the absorption unit 140 is used, the temperature of the exhaust gas is appropriately 80°C to 100°C.
  • the combination of the washing module 132 and the washing water cooling unit 134f may be configured differently to satisfy the CO 2 absorption temperature condition of the CO 2 absorption unit 140 while maintaining, and the first washing unit 132a and the first washing unit 132a
  • the heat exchanger specifications of the second cleaning unit 132b may also be configured differently.
  • the water treatment module 135 includes a water treatment unit 135a that treats the washing water drained from the buffer tank 134c and returns the treated washing water to the buffer tank 134c, and stores sludge by the water treatment unit 135a.
  • the drain tank 135d the residues such as chute included in the washing water are separated and stored, and the separated discharged water is discharged overboard.
  • the CO 2 absorption unit 140 injects the absorption liquid into the exhaust gas that has passed through the cleaning unit 130 to absorb and remove CO 2 , thereby reducing the O 2 concentration of the exhaust gas recirculated to the combustion chamber to suppress NO X generation. to do it
  • the CO 2 absorbing unit 140 includes an absorption liquid storage tank 141 for storing an absorption liquid for removing CO 2 by a chemical reaction, and an upper end for dispensing the absorption liquid downward.
  • the absorbent liquid may be manufactured through a separate facility in the ship and supplied immediately, but may be pumped and supplied in the form stored in the absorbent liquid storage tank 141, and the upper injection nozzle 142 and the lower injection nozzle 144 are the main pipe. It may be configured in a form in which a plurality of auxiliary pipes having a plurality of injection holes connected thereto are installed.
  • the upper flow path 143 or the lower flow path 145 is composed of a plurality of stages and partition walls so that the contact time between the absorption liquid and the exhaust gas is increased to form a long flow path, thereby sufficiently absorbing and dissolving CO 2 by the absorption liquid or Make sure to convert it to a material that meets the requirements for overboard discharge.
  • distilling column packing designed to have a large contact area per unit volume to increase the contact time between the absorbent liquid and the exhaust gas is composed of multi-stage fillers 143a and 145a. ) and a solution redistributor (not shown) may be formed between the distillation column packing composed of multiple stages.
  • distillation column packing suitable for the process in consideration of the contact area per unit area, the pressure drop of the gas and the overflow rate, and to prevent the channeling of fresh water by the solution redistributor.
  • the product and the cooling method may be different, that is, when NH 4 OH(aq) is used as the absorption liquid, the absorption liquid storage tank 141 is NH 4 as the absorption liquid.
  • OH(aq) is stored, and CO 2 is absorbed by the following [Formula 1] or [Formula 2] by NH 4 OH(aq) passing through the upper channel 143 and the lower channel 145 to absorb NH 4 HCO 3 is converted to (aq), and the cooling module 147 is disposed in the form of a cooling jacket or cooling coil in the upper flow path 143 and the lower flow path 145 to reduce the heat generated by the CO 2 absorption reaction to 20°C to 50°C. By cooling, it is possible to induce a smooth forward reaction of [Formula 1] or [Formula 2].
  • the absorption liquid storage tank 141 stores NaOH as the absorption liquid, and by NaOH passing through the upper flow path 143 and the lower flow passage 145, for example, the following [Formula 3] ] or [Formula 4] by absorbing CO 2 to convert to Na 2 CO 3 or NaHCO 3 , the cooling module 147 cools the heat generated by the CO 2 absorption reaction to 80 ° C. to 100 ° C., [Formula 3 ] or [Formula 4] can induce a smooth forward reaction.
  • the absorption liquid stored in the absorption liquid tank 149 passing through the upper passage 143 and the lower passage 145 is regenerated or discarded, and the discharge discharged from the CO 2 absorption unit 140 is controlled by a valve in the sludge tank. (135b) may be stored or overboard.
  • combustion air receiver 150 passes through the CO 2 absorber 140 to remove CO 2 and lower the O 2 concentration, and to the supercharger 120 By temporarily storing the compressed combustion air to remove the pulsation, air is supplied to each cylinder of the marine engine 10 in the intake stroke.
  • the intake time of combustion air is also different and pulsation occurs.
  • one side is connected to the combustion air intake of the combustion chamber and the other side is connected to the outlet side of the compressor 122 of the supercharger 120 .
  • the exhaust gas circulation unit (iCER; intelligent Control by Exhaust Recycling) 160 supplies the exhaust gas that has passed through the CO 2 absorption unit 140 to the supercharger 120 to be mixed with the outside air.
  • the exhaust gas circulation unit 160 sucks the exhaust gas passing through the lower flow path 145 and the mist catcher 148 of the CO 2 absorption unit 140 into the air of the supercharger 120 .
  • the flow rate of the exhaust gas supplied to the supercharger 120 and mixed with outside air and the exhaust gas supplied to the exhaust gas pipe can be adjusted, respectively.
  • the exhaust gas flow rate supplied to the air intake filter 123 is controlled by the opening and closing control of the first valve 161, and the exhaust gas use related device through the exhaust gas pipe by the opening and closing control of the second valve 162 It is possible to control the exhaust gas flow rate supplied to the
  • the reduction amount of NO X also increases in proportion to the recirculation ratio of the exhaust gas by the exhaust gas circulation unit 160 , and about 30% to 40% of the total exhaust gas is recirculated and may be supplied to the marine engine 10 .
  • the cleaning unit 130 and the exhaust gas circulation unit 160 are combined to reduce methane slip generated in the auto cycle of the dual fuel engine, increase the ratio of CO 2 instead of O 2 in the combustion air, and increase the CO 2 concentration can be adjusted.
  • the aforementioned cleaning unit 130, the CO 2 absorption unit 140 and the exhaust gas circulation unit 160 are configured to be mounted inside the marine engine 10, thereby saving the installation space of the engine room. In addition, it can be configured so that there are few changes by enabling additional installation on ships in which the existing EGR system is already installed.
  • the present invention can provide a ship equipped with the above-described EGR and iCER combined greenhouse gas emission reduction device of the ship.
  • the EGR and iCER are combined to reduce NO X generation by EGR while absorbing CO 2 and SO X to affect the environment.
  • converting to a non-toxic material it is possible to prevent corrosion of the engine and improve combustion quality, increase engine efficiency and reduce methane slip by iCER, and remove SO X and CO 2 from the recirculating exhaust gas. It can prevent corrosion and reduce environmental pollution, and it can be installed inside the ship engine to save installation space, so it is possible to secure free space in the engine room, and to install additionally on ships where the existing EGR system is already installed. It can be configured so that there are few changes.

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Abstract

본 발명은, 선박 엔진(10)의 각 실린더로부터 배기되는 배기가스를 임시 저장하여 맥동을 제거하는 배기가스 리시버(110), 배기가스 리시버(110)로부터 공급되는 배기가스에 의해 연소공기를 압축하여 공급하는 과급기(120), 과급기(120)를 통과하여 공급되는 배기가스로 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하고, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 세정부(130), 세정부(130)를 통과한 배기가스로 흡수액을 분사하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 흡수부(140), 과급기(120)에 의해 압축된 연소공기를 임시저장하여 맥동을 제거하고, 선박 엔진(10)의 각 실린더로 급기하는, 연소공기 리시버(150), 및 CO2 흡수부(140)를 통과한 배기가스를 과급기(120)로 공급하여 외기와 혼합되도록 하는 배기가스 순환부(160)를 포함하여, EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립을 줄일 수 있는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 개시한다.

Description

선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박
본 발명은 EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립을 줄일 수 있는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박에 관한 것이다.
최근, 무분별한 화석연료 사용에 따른 온실가스 배출의 영향으로 지구 온난화 현상과 이와 연계된 환경 재해들이 발생하고 있다.
이에, 대표적 온실가스인 이산화탄소를 방출하지 않고 포집하여 저장하는데 관련된 일련의 기술들을 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage) 기술이라 하여 최근 매우 큰 주목을 받고 있는데, CCS 기술 중에서 화학 흡수법(chemical absorption)은 대규모 처리가 가능하다는 측면에서 그 중에서 가장 많이 상용화된 기술이다
또한, 이산화탄소 배출 규제는 IMO의 EEDI를 통해 규제하는데, 2050년에는 2008년 배출량의 50% 이상의 절감을 목표로 하고 있고, 2030년에도 2008년 배출량의 40%를 절감해야 하므로 CO2를 배출하지 않거나, 배출된 CO2를 포집하는 기술이 주목을 받고 있다.
앞서 언급한 이산화탄소의 배출을 절감, 또는 생성된 이산화탄소를 포집하는 기술은 현재 선박에서는 상용화된 사례가 없는 실정이고, 수소나 암모니아를 연료로 사용하는 방법도 현재는 개발 중이며 상업화 수준의 단계에 이르지 못한 실정이다.
한편, 선박 엔진으로부터 배기되는 배기가스 내의 NOX를 저감하는 방법으로, 배기가스를 세정하고 냉각한 후 일부를 외기와 혼합하여 혼합가스를 선박 엔진의 흡입계통으로 재순환시키는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)이 적용되고 있다.
하지만, EGR 단독으로 NOX의 생성을 저감하고 엔진효율을 높이는데 한계가 있어서, 종래 화석연료를 사용하여 운항 중이거나 또는 건조 예정인 선박에 대해 EGR을 유지하면서 EGR의 본래 목적인 NOX 생성을 줄이면서도 대표적 온실가스인 CO2는 물론, SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배출하거나, 유용한 물질로 저장할 수 있고, 선박용 이중연료(DF;Dual Fuel) 엔진에서 발생되는 메탄가스 슬립 배출량을 획기적으로 줄여 연소효율을 향상시킬 수 있는 기술을 적용할 필요성이 제기된다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립을 줄일 수 있는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 선박 엔진의 각 실린더로부터 배기되는 배기가스를 임시 저장하여 맥동을 제거하는 배기가스 리시버; 상기 배기가스 리시버로부터 공급되는 배기가스에 의해 연소공기를 압축하여 공급하는 과급기; 상기 과급기를 통과하여 공급되는 배기가스로 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하고, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 세정부; 상기 세정부를 통과한 배기가스로 흡수액을 분사하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 흡수부; 상기 과급기에 의해 압축된 연소공기를 임시저장하여 맥동을 제거하고, 상기 선박 엔진의 각 실린더로 급기하는, 연소공기 리시버; 및 상기 CO2 흡수부를 통과한 배기가스를 상기 과급기로 공급하여 외기와 혼합되도록 하는 배기가스 순환부;를 포함하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 제공한다.
여기서, 상기 선박 엔진은 저압 2행정 이중연료 엔진 또는 4행정 이중연료 엔진일 수 있다.
또한, 상기 과급기는, 상기 배기가스 리시버로부터 공급되는 고온고압의 배기가스에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전축에 결합되어 회전하여서 연소공기를 압축하여 상기 연소공기 리시버로 공급하는 압축기와, 상기 압축기의 흡입구측에 형성되어, 상기 CO2 흡수부를 통과하여 CO2가 제거된 배기가스 및 외기로부터 이물질을 필터링하고 혼합하는 공기흡입필터와, 상기 압축기로부터 상기 연소공기 리시버로 공급되는 연소공기를 냉각하는 연소공기 냉각모듈과, 상기 터빈으로부터 상기 세정부로의 배기가스유량을 조절하는 제1조절밸브와, 상기 터빈으로부터 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제2조절밸브로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2조절밸브는, 높은 부하 또는 높은 온도의 배기가스로 인해, 상기 터빈의 배기가스파이프에 연결된 상기 배기가스이용 관련장치의 손상이 예상되는 경우에, 개폐를 제어하여 상기 세정부로의 배기가스유량을 증가시켜 배기가스의 온도를 낮추도록 할 수 있다.
또한, 상기 연소공기 냉각모듈은, 냉각수를 순환시켜 연소공기를 냉각하는 1단 이상의 쿨링재킷과, 굴곡진 다판 형태로 형성되어 상기 쿨링재킷을 통과한 연소공기의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세정부는, 청수를 공급받고 순환하는 세정수를 중화시켜 공급하는 세정수 공급모듈과, 상기 세정수 공급모듈로부터의 세정수를 상기 과급기로부터의 배기가스로 분사하여 냉각하고 세정하는 세정모듈과, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 냉각모듈과, 세정수가 상기 세정모듈을 순환하도록 하는 세정수 순환모듈과, 세정수를 수처리하는 수처리모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 세정수 공급모듈은, 청수를 공급받아 세정수를 보충하여 상기 세정모듈로 공급하는 세정수보충펌프와, 상기 세정수보충펌프로부터 상기 세정모듈로 공급되어 순환하는 세정수에 pH를 조절하기 위한 중화제를 투입하는 중화제 공급밸브를 포함하고, 상기 세정모듈은, 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하는 하나 이상의 세정유닛을 포함하며, 상기 냉각모듈은, 상기 하나 이상의 세정유닛의 하단에 형성되어 순환하는 냉각수에 의해 상기 흡수액의 종류에 따라 일정온도로 배기가스를 냉각하는 하나 이상의 냉각유닛을 포함하고, 상기 세정수 순환모듈은, 상기 세정모듈을 통과한 세정수를 집수하는 세정수 순환탱크와, 상기 세정수 순환탱크로부터의 세정수의 pH를 측정하여서 상기 중화제 공급밸브를 조절하여 중화제 투입량을 설정하도록 하는 pH 미터와, 세정수 초기수량을 저장하고 세정수를 보충하는 버퍼탱크와, 상기 세정모듈을 통과한 일부 세정수는 상기 버퍼탱크로 공급하고 잔여 세정수는 상기 세정모듈로 순환시키는 세정수 순환펌프 및 세정수조절밸브와, 상기 세정수 순환펌프의 후단에 설치되어 순환하는 세정수를 냉각하는 세정수 냉각유닛을 포함하며, 상기 수처리모듈은, 상기 버퍼탱크로부터 배수되는 세정수를 수처리하여 수처리된 세정수를 상기 버퍼탱크로 회귀시키는 수처리유닛과, 상기 수처리유닛에 의한 슬러지를 저장하는 슬러지탱크와, 상기 수처리유닛에 의해 일정 배출조건을 충족하는 세정수를 선외배출하는 선외배출밸브와, 상기 버퍼탱크로부터의 세정수를 임시 저장하는 세정수 드레인탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 CO2 흡수부는, 상기 흡수액을 저장하는 흡수액 저장탱크와, 상기 흡수액을 분사하는 하나 이상의 분사노즐과, CO2와 상기 흡수액을 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 소정물질로 전환시키는 하나 이상의 유로와, 상기 하나 이상의 분사노즐로 상기 흡수액을 펌핑하는 흡수액분사펌프와, 상기 하나 이상의 유로로 냉각수를 순환시켜 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 냉각하는 냉각모듈과, 굴곡진 다판 형태로 상기 유로의 종단에 형성되어 상기 유로를 통과한 배기가스의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐와, 상기 유로를 통과한 상기 흡수액을 분리 저장하는 흡수액탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 분사노즐은, 상기 흡수액을 하향 분사하는 상단분사노즐과 하단분사노즐을 포함하고, 상기 하나 이상의 유로는, CO2와 상기 흡수액을 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 상기 소정물질로 전환시키는 상단유로와 하단유로를 포함하며, 상기 흡수액분사펌프는 상기 상단분사노즐 및 상기 하단분사노즐로 상기 흡수액을 펌핑하고, 상기 냉각모듈은 상기 상단유로 및 상기 하단유로 구간으로 냉각수를 순환시켜 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 냉각할 수 있다.
또한, 상기 상단유로 또는 상기 하단유로는, 상기 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 복수의 단과 격벽으로 구성되어 유로를 길게 형성할 수 있다.
또한, 상기 상단유로 또는 상기 하단유로에는, 상기 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성된 충진재와, 다단으로 구성된 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수액 저장탱크는 상기 흡수액으로 NH4OH(aq)를 저장하고, 상기 상단유로 및 상기 하단유로에 의해 NH4OH(aq)에 의해 CO2를 흡수하여 NH4HCO3(aq)로 전환시키고, 상기 냉각모듈은 상기 상단유로 및 상기 하단유로에 쿨링재킷 또는 쿨링코일 형태로 배치되어 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 20℃ 내지 50℃로 냉각할 수 있다.
또한, 상기 흡수액 저장탱크는 상기 흡수액으로 NaOH(aq)를 저장하고, 상기 상단유로 및 상기 하단유로에 의해 NaOH(aq)에 의해 CO2를 흡수하여 NaHCO3 또는 Na2CO3로 전환시키고, 상기 냉각모듈은 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 80℃ 내지 100℃로 냉각할 수 있다.
또한, 상기 유로를 통과하여 배출되는 상기 소정물질은 슬러지탱크에 저장되거나, 선외배출될 수 있다.
또한, 상기 배기가스 순환부는, 상기 공기흡입필터로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제1밸브; 및 상기 배기가스파이프를 통해 상기 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제2밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배기가스 순환부는, 상기 과급기로 공급되어 외기와 혼합되는 배기가스 및 상기 배기가스파이프로 공급되는 배기가스의 유량을 각각 조절할 수 있다.
또한, 상기 세정부와 상기 CO2 흡수부와 상기 배기가스 순환부는 상기 선박 엔진 내부에 장착되는 형태로 구성될 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은 전술한 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립(methane slip)을 줄일 수 있고, 재순환하는 배기가스에서 SOX와 CO2를 제거하여 엔진의 부식을 방지하고 환경오염을 줄일 수 있고, 선박 엔진 내부에 장착되는 형태로 구성하여 설치공간을 절약할 수 있어 엔진룸의 여유공간을 확보할 수 있고, 기존 EGR 시스템이 기설치된 선박에 추가 설치가 가능하도록 하여 변경사항이 적도록 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 구현한 시스템 회로도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치의 배기가스 리시버 및 과급기를 분리 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치의 세정부를 분리 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치의 CO2 흡수부를 분리 도시한 것이다.
도 6은 도 2의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치의 배기가스 순환부를 분리 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 의한 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치는, 선박 엔진(10)의 각 실린더로부터 배기되는 배기가스를 임시 저장하여 맥동을 제거하는 배기가스 리시버(110), 배기가스 리시버(110)로부터 공급되는 배기가스에 의해 연소공기를 압축하여 공급하는 과급기(120), 과급기(120)를 통과하여 공급되는 배기가스로 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하고, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 세정부(130), 세정부(130)를 통과한 배기가스로 흡수액을 분사하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 흡수부(140), 과급기(120)에 의해 압축된 연소공기를 임시저장하여 맥동을 제거하고, 선박 엔진(10)의 각 실린더로 급기하는, 연소공기 리시버(150), 및 CO2 흡수부(140)를 통과한 배기가스를 과급기(120)로 공급하여 외기와 혼합되도록 하는 배기가스 순환부(160)를 포함하여, EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립을 줄이는 것을 요지로 한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 전술한 구성의 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 상술하면 다음과 같다.
우선, 배기가스 리시버(110)는, 선박 엔진(10)의 각 실린더로부터 배기되는 배기가스를 임시 저장하여 맥동을 제거한다.
우선, 배기가스 리시버(exhaust gas receiver)(110)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 선박 엔진(10)의 다수로 구성된 각 실린더(미도시)의 연소실로부터 연소 후 배기행정에 의해 배기가스 배출구로부터 배기되는 고온고압의 배기가스를 임시 저장하여 배기가스의 맥동을 제거하고, 조절밸브의 개폐를 통해 과급기(120)를 거쳐 세정부(130) 또는 폐열회수장치 등과 같은 배기가스이용 관련장치(미도시)로 공급한다.
예컨대, 선박 엔진(10)에서 각 실린더별 점화순서가 상이하므로 배기가스의 배출시점도 상이하여 맥동이 발생하는데, 배기가스 리시버(110)는 배기가스 압력의 맥동을 제거하기에 적합한 용량을 구비하며 보온이 가능한 실린더 형태로 형성되고, 일측은 연소실의 배기가스 배출구와 연결되고 타측은 과급기(120)의 터빈(121) 입구측과 연결된다.
여기서, 선박 엔진(10)은 오토 사이클(Otto cycle)을 따라 5barg 내지 20barg 범위의 연소가스 압력으로 운전되는 저압 2행정 이중연료(dual fuel) 엔진일 수 있다. 저압 2행정 이중연료 엔진은 NOX 배출량이 적어, 디젤과 같은 연료유를 사용하는 경우에도 짧은 시간의 연료유 운전을 통해 IMO NOX 배출규정 Tier Ⅲ를 충족할 수 있고, 고압 2행정 이중연료 엔진에 비해 연소가스 압력이 1/10 이하이고, 비교적 저렴한 가스압축기를 적용할 수 있고, 가스압축기의 소모전력이 낮아 운항비를 절감할 수 있다.
한편, 저압 2행정 이중연료 엔진에 한정되지 않고, 가용한 증발가스로 보조전력을 생산할 수 있는 4행정 이중연료 엔진이 선박 엔진(10)으로 적용될 수도 있다.
다음, 과급기(turbo charger)(120)는 배기가스 리시버(110)로부터 공급되는 배기가스의 고온고압의 에너지를 이용하여 연소공기를 압축하여서, 연소공기 리시버(150)로 공급하여 엔진효율을 높이도록 한다.
구체적으로, 과급기(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스 리시버(110)로부터 공급되는 고온고압의 배기가스에 의해 회전하는 터빈(121)과, 터빈(121)의 회전축에 결합되어 회전하여서 재순환된 배기가스와 외기를 혼합한 연소공기를 압축하여 연소공기 리시버(150)로 공급하는 압축기(122)와, 압축기(122)의 흡입구측에 형성되어, CO2 흡수부(140)를 통과하여 CO2가 제거된 배기가스 및 외기로부터 이물질을 필터링하고 혼합하는 공기흡입필터(123)와, 압축기(122)로부터 연소공기 리시버(150)로 공급되는 연소공기를 냉각하는 연소공기 냉각모듈(124)과, 터빈(121)으로부터 세정부(130)로의 배기가스유량을 조절하는 제1조절밸브(125)와, 터빈(121)으로부터 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제2조절밸브(126)로 구성될 수 있다.
또한, 제2조절밸브(126)는, 높은 부하 또는 높은 온도의 배기가스로 인해, 터빈(121)의 배기가스파이프에 연결된 배기가스이용 관련장치의 손상이 예상되는 경우에, 개폐를 제어하여 세정부(130)로의 배기가스유량을 증가시켜 배기가스의 온도를 낮추도록 할 수 있다.
또한, 연소공기 냉각모듈(124)은, 냉각수를 순환시켜 연소공기를 냉각하는 1단 이상의 쿨링재킷(cooling jacket)(124a)과, 굴곡진 다판 형태로 형성되어 쿨링재킷(124a)을 통과한 연소공기의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐(124b)를 포함하여서, 압축기(122)에 의한 연소공기 압축에 따른 온도상승을 억제하여 과급기효율을 높이고 공기밀도를 높여 선박 엔진(10)의 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 세정부(EGR)(130)는 배기가스의 세정과 냉각과 중화를 수행하는 구성요소로서, 과급기(120)를 통과하여 공급되는 배기가스로 세정수를 1차와 2차로 순차적으로 분사하여 배기가스에 함유된 SOX과 슈트(soot)를 제거하여 세정하고, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하여 CO2 흡수부(140)로 공급한다.
참고로, 선박 엔진(10)의 연소실에서 연소공기에 함유된 산소 중 일부는 연료와 연소하여 CO2를 생성하고 나머지는 NOX과 SOX을 생성하는데, 세정부(130)는 연소 후 CO2가 다량 함유된 배기가스를 세정 및 냉각하여 연소에 필요한 최소한의 O2만을 선박 엔진(10)의 연소실로 공급하여서 연소공기 자체의 CO2 농도를 높이고 O2의 농도를 낮춰 NOX의 생성을 억제하도록 한다.
구체적으로, 세정부(130)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 청수를 공급받고 순환하는 세정수를 중화시켜 공급하는 세정수 공급모듈(131)과, 세정수 공급모듈(131)로부터의 세정수를 과급기(120)로부터의 배기가스로 분사하여 냉각하고 세정하는 세정모듈(132)과, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 냉각모듈(133)과, 세정수가 세정모듈(132)을 순환하도록 하는 세정수 순환모듈(134)과, 세정수를 수처리하는 수처리모듈(WTS;Water Treatment System)(135)을 포함할 수 있다.
세정수 공급모듈(131)은, 청수공급밸브(131a)의 개방을 통해 청수를 공급받아 순환하는 세정수를 보충하여 세정모듈(132)로 공급하는 세정수보충펌프(131b)와, 세정수보충펌프(131b)로부터 세정모듈(132)로 공급되어 순환하는 세정수에 pH를 조절하기 위한 중화제를 투입하는 중화제 공급밸브(131c)를 포함한다. 여기서, 중화제는 세정수와 배기가스의 SOX의 반응에 의해 생성된 황산을 제거하는 염기성 중화제일 수 있다.
세정모듈(132)은, 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하는 하나 이상의 세정유닛을 포함하는데, 세정수 공급모듈(131) 또는 세정수 순환모듈(134)로부터 공급되는 세정수를 배기가스로 1차분사하여(pre-spray) 고온의 배기가스를 200℃ 내지 300℃로 냉각하고 SOX과 슈트 등의 파티클 성분을 제거하여 세정하는 전단의 제1세정유닛(132a)과, 세정수를 2차분사하여(EGR cooler spray) 배기가스를 45℃ 내외로 냉각하고 SOX과 슈트 등의 파티클 성분을 제거하여 세정하는 후단의 제2세정유닛(132b)으로 구성된다.
냉각모듈(133)은, 하나 이상의 세정유닛의 하단에 형성되어 순환하는 냉각수에 의해 흡수액의 종류에 따라 일정온도로 배기가스를 냉각하는 하나 이상의 냉각유닛을 포함하는데, 제1세정유닛(132a)의 하단에 형성되어 순환하는 냉각수에 의해, 흡수액의 종류에 따라, 일정온도로 배기가스를 냉각하는 제1냉각유닛(133a)과, 제2세정유닛(132b)의 하단에 형성되어 순환하는 냉각수에 의해, 흡수액의 종류에 따라, 일정온도로 배기가스를 냉각하는 제2냉각유닛(133b)으로 구성된다.
세정수 순환모듈(134)은, 세정모듈(132)을 통과한 세정수를 집수하는 세정수 순환탱크(134a)와, 세정수 순환탱크(134a)로부터의 세정수의 pH를 측정하여서 중화제 공급밸브(131c)를 조절하여 중화제 투입량을 설정하도록 하는 pH 미터(134b)와, 세정수 초기수량을 저장하고 세정수를 보충하는 버퍼탱크(134c)와, 세정모듈(132)을 통과한 일부 세정수는 버퍼탱크(134c)로 공급하고 잔여 세정수는 세정모듈(132)로 순환시키는 세정수 순환펌프(134d) 및 세정수조절밸브(134e)와, 세정수 순환펌프(134d)의 후단에 설치되어 순환하는 세정수를 냉각하는 세정수 냉각유닛(134f)을 포함한다.
여기서, pH 미터(134b)는 순환하는 세정수에 함유된 황산에 의한 pH를 측정하고, 측정된 pH에 따라, 중화제 공급밸브(131c)에 의해 염기성 중화제, 예컨대 NaOH의 투입량을 조절하여 세정수를 중화시켜 세정수가 순환하는 파이프라인과 관련 구성요소의 부식을 방지하도록 하고, 버퍼탱크(134c)는 배기가스의 연소로 인해 부수적으로 발생한 추가 수분을 집수하여 제거하고 수처리모듈(135)에 의해 수처리되어 정화된 세정수를 저장하여 보충할 수도 있다.
한편, NH4OH(aq)를 CO2 흡수부(140)의 흡수액으로 사용하는 경우에는, 세정모듈(132)을 통과하는 배기가스의 온도는 20℃ 내지 50℃ 내외가 적절하고 NaOH를 CO2 흡수부(140)의 흡수액을 사용하는 경우에는, 배기가스의 온도는 80℃ 내지 100℃ 내외가 적절하여서, 사용하는 흡수액에 따라 세정수의 양과 온도가 상이하여 세정수에 의한 배기가스의 세정력을 유지하면서 CO2 흡수부(140)의 CO2 흡수 온도조건을 충족하도록 세정모듈(132) 및 세정수 냉각유닛(134f)의 조합을 상이하게 구성할 수 있고, 제1세정유닛(132a)과 제2세정유닛(132b)의 열교환기 사양도 상이하게 구성할 수 있다.
수처리모듈(135)은, 버퍼탱크(134c)로부터 배수되는 세정수를 수처리하여 수처리된 세정수를 버퍼탱크(134c)로 회귀시키는 수처리유닛(135a)과, 수처리유닛(135a)에 의한 슬러지를 저장하는 슬러지탱크(135b)와, 수처리유닛(135a)에 의해 일정 배출조건을 충족하는 세정수를 선외배출하는 선외배출밸브(135c)와, 버퍼탱크(134c)로부터의 세정수를 임시 저장하는 세정수 드레인탱크(135d)를 포함하여서, 세정수에 포함된 슈트 등의 찌꺼기를 분리하여 저장하고 분리된 배출수를 선외배출하도록 한다.
다음, CO2 흡수부(140)는 세정부(130)를 통과한 배기가스로 흡수액을 분사하여 CO2를 흡수하여 제거하여, 연소실로 재순환되는 배기가스의 O2 농도를 낮춰 NOX 생성을 억제하도록 한다.
구체적으로, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, CO2 흡수부(140)는, 화학반응에 의해 CO2를 제거하는 흡수액을 저장하는 흡수액 저장탱크(141)와, 흡수액을 하향 분사하는 상단분사노즐(142)과, CO2와 흡수액을 물리적으로 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 NH4HCO3, NaHCO3 또는 Na2CO3로 전환시키는 상단유로(143)와, 흡수액을 하향 분사하는 하단분사노즐(144)과, CO2와 흡수액을 물리적으로 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 NH4HCO3, NaHCO3 또는 Na2CO3로 전환시키는 하단유로(145)와, 상단분사노즐(142) 및 하단분사노즐(144)로 흡수액을 펌핑하는 흡수액분사펌프(146)와, 상단유로(143) 및 하단유로(145) 구간으로 냉각수를 순환시켜 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 각각 냉각하는 냉각모듈(147)과, 굴곡진 다판 형태로 형성되어 하단유로(145)를 통과한 배기가스의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐(148)와, 상단유로(143) 및 하단유로(145)를 순차적으로 통과한 흡수액을 분리 저장하는 흡수액탱크(149)를 포함한다.
여기서, 흡수액은 선내의 별도 설비를 통해 제조되어 즉시 공급될 수도 있으나, 흡수액 저장탱크(141)에 저장된 형태로 펌핑되어 공급될 수도 있고, 상단분사노즐(142) 및 하단분사노즐(144)은 주배관에 연결된 다수의 분사홀이 형성된 다수의 보조배관이 설치된 형태로 구성될 수 있다.
한편, 상단유로(143) 또는 하단유로(145)는, 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 복수의 단과 격벽으로 구성되어 유로를 길게 형성하여서, 흡수액에 의해 CO2를 충분히 흡수하여 용해시키거나 선외배출조건을 충족하는 물질로 전환하도록 한다.
또한, 상단유로(143) 또는 하단유로(145)에는, 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 증류 칼럼 패킹(distilling column packing)이 다단으로 구성된 충진재(143a,145a)와, 다단으로 구성된 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기(미도시)가 형성될 수 있다.
예컨대, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도를 고려하여 공정에 적절한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있고, 용액 재분배기에 의해 청수의 채널링(channeling) 현상을 방지하도록 할 수 있다.
한편, CO2를 흡수하는 흡수액의 선택에 따라, 생성물과 냉각방식이 상이할 수 있는데, 즉, 흡수액으로 NH4OH(aq)를 사용하는 경우에는, 흡수액 저장탱크(141)가 흡수액으로 NH4OH(aq)를 저장하고, 상단유로(143) 및 하단유로(145)를 통과하는 NH4OH(aq)에 의해 다음의 [화학식 1] 또는 [화학식 2]에 의해 CO2를 흡수하여 NH4HCO3(aq)로 전환시키고, 냉각모듈(147)은 상단유로(143) 및 하단유로(145)에 쿨링재킷 또는 쿨링코일 형태로 배치되어 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 20℃ 내지 50℃로 냉각하여서, [화학식 1] 또는 [화학식 2]의 원활한 정반응을 유도할 수 있다.
즉, 20℃에 미달하는 경우에 CO2 흡수율이 감소하고, 50℃를 초과하는 경우에 CO2 흡수율이 증가할 수 있지만 NH3가 기화되어 소실되는 단점이 있어서, 20℃ 내지 50℃로 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
Figure PCTKR2020018598-appb-C000001
Figure PCTKR2020018598-appb-C000002
또는, 흡수액으로 NaOH를 사용하는 경우에는, 흡수액 저장탱크(141)가 흡수액으로 NaOH를 저장하고, 상단유로(143) 및 하단유로(145)를 통과하는 NaOH에 의해 예를 들면 다음의 [화학식 3] 또는 [화학식 4]에 의해 CO2를 흡수하여 Na2CO3 또는 NaHCO3로 전환시키고, 냉각모듈(147)은 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 80℃ 내지 100℃로 냉각하여서, [화학식 3] 또는 [화학식 4]의 원활한 정반응을 유도할 수 있다.
Figure PCTKR2020018598-appb-C000003
Figure PCTKR2020018598-appb-C000004
한편, 상단유로(143) 및 하단유로(145)를 통과하여 흡수액탱크(149)에 저장된 흡수액은 재생처리되거나 폐기처리되고, CO2 흡수부(140)로부터 배출되는 배출물은 밸브조절에 의해 슬러지탱크(135b)에 저장하거나 선외배출될 수 있다.
다음, 연소공기 리시버(scavenge air receiver)(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, CO2 흡수부(140)를 통과하여 CO2가 제거되고 O2 농도가 낮아지고, 과급기(120)에 의해 압축된 연소공기를 임시저장하여 맥동을 제거하여, 흡입행정에서 선박 엔진(10)의 각 실린더로 급기한다.
예컨대, 각 실린더별 점화순서가 상이하므로 연소공기의 흡입시점도 상이하여 맥동이 발생하는데, 연소공기 리시버(150)는 연소공기 압력의 맥동 제거하기에 적합한 용량을 구비하고 보온이 가능한 실린더 형태로 형성되어, 일측은 연소실의 연소공기 흡입구와 연결되고 타측은 과급기(120)의 압축기(122) 출구측과 연결된다.
다음, 배기가스 순환부(iCER;intelligent Control by Exhaust Recycling)(160)는 CO2 흡수부(140)를 통과한 배기가스를 과급기(120)로 공급하여 외기와 혼합되도록 한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 배기가스 순환부(160)는 CO2 흡수부(140)의 하단유로(145)와 미스트 캐쳐(148)를 통과한 배기가스를 과급기(120)의 공기흡입필터(123)로 공급하는 연소공기라인으로서, 과급기(120)로 공급되어 외기와 혼합되는 배기가스 및 배기가스파이프로 공급되는 배기가스의 유량을 각각 조절할 수 있다.
예컨대, 제1밸브(161)의 개폐조절에 의해 공기흡입필터(123)로 공급되는 배기가스유량을 조절하고, 제2밸브(162)의 개폐조절에 의해 배기가스파이프를 통해 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절할 수 있다.
한편, 배기가스 순환부(160)에 의한 배기가스의 재순환 비율에 비례하여 NOX의 감소량도 증가하는데 전체 배기가스의 30% 내지 40% 정도가 재순환되어 선박 엔진(10)으로 공급될 수 있다.
이에, 세정부(130)와 배기가스 순환부(160)를 결합하여 이중연료 엔진의 오토 사이클에서 발생하는 메탄슬립을 줄이도록 하고, 연소공기에서 O2 대신 CO2의 비율을 높이고 CO2 농도를 조절하도록 할 수 있다.
또한, 앞서 언급한 세정부(130)와 CO2 흡수부(140)와 배기가스 순환부(160)는 선박 엔진(10) 내부에 장착되는 형태로 구성되어서, 엔진룸의 설치공간을 절약할 수 있고, 기존 EGR 시스템이 기설치된 선박에 추가 설치가 가능하도록 하여 변경사항이 적도록 구성할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
따라서, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치를 구비한 선박에 의해서, EGR과 iCER을 결합시켜 EGR에 의해 NOX 생성을 줄이면서도 CO2와 SOX를 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 엔진의 부식을 방지하고 연소품질을 향상시키고, iCER에 의해 엔진효율을 높이고 메탄슬립(methane slip)을 줄일 수 있고, 재순환하는 배기가스에서 SOX와 CO2를 제거하여 엔진의 부식을 방지하고 환경오염을 줄일 수 있고, 선박 엔진 내부에 장착되는 형태로 구성하여 설치공간을 절약할 수 있어 엔진룸의 여유공간을 확보할 수 있고, 기존 EGR 시스템이 기설치된 선박에 추가 설치가 가능하도록 하여 변경사항이 적도록 구성할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 선박 엔진의 각 실린더로부터 배기되는 배기가스를 임시 저장하여 맥동을 제거하는 배기가스 리시버;
    상기 배기가스 리시버로부터 공급되는 배기가스에 의해 연소공기를 압축하여 공급하는 과급기;
    상기 과급기를 통과하여 공급되는 배기가스로 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하고, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 세정부;
    상기 세정부를 통과한 배기가스로 흡수액을 분사하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 흡수부;
    상기 과급기에 의해 압축된 연소공기를 임시저장하여 맥동을 제거하고, 상기 선박 엔진의 각 실린더로 급기하는, 연소공기 리시버; 및
    상기 CO2 흡수부를 통과한 배기가스를 상기 과급기로 공급하여 외기와 혼합되도록 하는 배기가스 순환부;를 포함하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박 엔진은 저압 2행정 이중연료 엔진 또는 4행정 이중연료 엔진인 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 과급기는,
    상기 배기가스 리시버로부터 공급되는 고온고압의 배기가스에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전축에 결합되어 회전하여서 연소공기를 압축하여 상기 연소공기 리시버로 공급하는 압축기와, 상기 압축기의 흡입구측에 형성되어, 상기 CO2 흡수부를 통과하여 CO2가 제거된 배기가스 및 외기로부터 이물질을 필터링하고 혼합하는 공기흡입필터와, 상기 압축기로부터 상기 연소공기 리시버로 공급되는 연소공기를 냉각하는 연소공기 냉각모듈과, 상기 터빈으로부터 상기 세정부로의 배기가스유량을 조절하는 제1조절밸브와, 상기 터빈으로부터 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제2조절밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2조절밸브는, 높은 부하 또는 높은 온도의 배기가스로 인해, 상기 터빈의 배기가스파이프에 연결된 상기 배기가스이용 관련장치의 손상이 예상되는 경우에, 개폐를 제어하여 상기 세정부로의 배기가스유량을 증가시켜 배기가스의 온도를 낮추도록 하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연소공기 냉각모듈은, 냉각수를 순환시켜 연소공기를 냉각하는 1단 이상의 쿨링재킷과, 굴곡진 다판 형태로 형성되어 상기 쿨링재킷을 통과한 연소공기의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정부는,
    청수를 공급받고 순환하는 세정수를 중화시켜 공급하는 세정수 공급모듈과, 상기 세정수 공급모듈로부터의 세정수를 상기 과급기로부터의 배기가스로 분사하여 냉각하고 세정하는 세정모듈과, 냉각수를 순환시켜 배기가스를 냉각하는 냉각모듈과, 세정수가 상기 세정모듈을 순환하도록 하는 세정수 순환모듈과, 세정수를 수처리하는 수처리모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 세정수 공급모듈은, 청수를 공급받아 세정수를 보충하여 상기 세정모듈로 공급하는 세정수보충펌프와, 상기 세정수보충펌프로부터 상기 세정모듈로 공급되어 순환하는 세정수에 pH를 조절하기 위한 중화제를 투입하는 중화제 공급밸브를 포함하고,
    상기 세정모듈은, 세정수를 분사하여 SOX과 슈트를 제거하여 세정하는 하나 이상의 세정유닛을 포함하며,
    상기 냉각모듈은, 상기 하나 이상의 세정유닛의 하단에 형성되어 순환하는 냉각수에 의해 상기 흡수액의 종류에 따라 일정온도로 배기가스를 냉각하는 하나 이상의 냉각유닛을 포함하고,
    상기 세정수 순환모듈은, 상기 세정모듈을 통과한 세정수를 집수하는 세정수 순환탱크와, 상기 세정수 순환탱크로부터의 세정수의 pH를 측정하여서 상기 중화제 공급밸브를 조절하여 중화제 투입량을 설정하도록 하는 pH 미터와, 세정수 초기수량을 저장하고 세정수를 보충하는 버퍼탱크와, 상기 세정모듈을 통과한 일부 세정수는 상기 버퍼탱크로 공급하고 잔여 세정수는 상기 세정모듈로 순환시키는 세정수 순환펌프 및 세정수조절밸브와, 상기 세정수 순환펌프의 후단에 설치되어 순환하는 세정수를 냉각하는 세정수 냉각유닛을 포함하며,
    상기 수처리모듈은, 상기 버퍼탱크로부터 배수되는 세정수를 수처리하여 수처리된 세정수를 상기 버퍼탱크로 회귀시키는 수처리유닛과, 상기 수처리유닛에 의한 슬러지를 저장하는 슬러지탱크와, 상기 수처리유닛에 의해 일정 배출조건을 충족하는 세정수를 선외배출하는 선외배출밸브와, 상기 버퍼탱크로부터의 세정수를 임시 저장하는 세정수 드레인탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 CO2 흡수부는,
    상기 흡수액을 저장하는 흡수액 저장탱크와, 상기 흡수액을 분사하는 하나 이상의 분사노즐과, CO2와 상기 흡수액을 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 소정물질로 전환시키는 하나 이상의 유로와, 상기 하나 이상의 분사노즐로 상기 흡수액을 펌핑하는 흡수액분사펌프와, 상기 하나 이상의 유로로 냉각수를 순환시켜 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 냉각하는 냉각모듈과, 굴곡진 다판 형태로 상기 유로의 종단에 형성되어 상기 유로를 통과한 배기가스의 수분을 제거하는 미스트 캐쳐와, 상기 유로를 통과한 상기 흡수액을 분리 저장하는 흡수액탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 분사노즐은, 상기 흡수액을 하향 분사하는 상단분사노즐과 하단분사노즐을 포함하고,
    상기 하나 이상의 유로는, CO2와 상기 흡수액을 접촉시켜 화학반응에 의해 CO2를 상기 소정물질로 전환시키는 상단유로와 하단유로를 포함하며,
    상기 흡수액분사펌프는 상기 상단분사노즐 및 상기 하단분사노즐로 상기 흡수액을 펌핑하고,
    상기 냉각모듈은 상기 상단유로 및 상기 하단유로 구간으로 냉각수를 순환시켜 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 냉각하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상단유로 또는 상기 하단유로는, 상기 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 복수의 단과 격벽으로 구성되어 유로를 길게 형성하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 상단유로 또는 상기 하단유로에는, 상기 흡수액과 배기가스의 접촉시간이 늘어나도록 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성된 충진재와, 다단으로 구성된 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡수액 저장탱크는 상기 흡수액으로 NH4OH(aq)를 저장하고,
    상기 상단유로 및 상기 하단유로에 의해 NH4OH(aq)에 의해 CO2를 흡수하여 NH4HCO3(aq)로 전환시키고,
    상기 냉각모듈은 상기 상단유로 및 상기 하단유로에 쿨링재킷 또는 쿨링코일 형태로 배치되어 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 20℃ 내지 50℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡수액 저장탱크는 상기 흡수액으로 NaOH(aq)를 저장하고,
    상기 상단유로 및 상기 하단유로에 의해 NaOH(aq)에 의해 CO2를 흡수하여 NaHCO3 또는 Na2CO3로 전환시키고,
    상기 냉각모듈은 CO2 흡수반응으로 인한 발열을 80℃ 내지 100℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 유로를 통과하여 배출되는 상기 소정물질은 슬러지탱크에 저장되거나, 선외배출되는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기가스 순환부는,
    상기 공기흡입필터로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제1밸브; 및
    상기 배기가스파이프를 통해 상기 배기가스이용 관련장치로 공급되는 배기가스유량을 조절하는 제2밸브;를 포함하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 과급기로 공급되어 외기와 혼합되는 배기가스 및 상기 배기가스파이프로 공급되는 배기가스의 유량을 각각 조절하는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정부와 상기 CO2 흡수부와 상기 배기가스 순환부는 상기 선박 엔진 내부에 장착되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 선박의 EGR 및 iCER 결합 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박.
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